基于嵌入式系統(tǒng)STM32的超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道供電與電氣學(xué)院，湖南 株洲 412001)

0 引言

超聲波在距離、液體流量、氣體的濃度、壓力、環(huán)境的溫度等相關(guān)檢測過程中有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，而超聲波在檢測以上參數(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)是超聲波在傳輸介質(zhì)中的傳輸速度的測量。因此，對超聲波在不同介質(zhì)和不同溫度環(huán)境下的傳輸速度的準(zhǔn)確測量、測量信號的傳輸、存儲(chǔ)與信號處理是實(shí)現(xiàn)超聲波檢測系統(tǒng)智能化應(yīng)用的必經(jīng)之路[1-11]。

超聲波在任何傳輸介質(zhì)中傳輸時(shí)很容易被外界的傳輸條件所干擾，其中超聲波的衰減特性與傳輸速度是兩個(gè)最容易被外界環(huán)境(傳輸介質(zhì)、環(huán)境溫度等因素)干擾的因素[2]。超聲波在傳輸介質(zhì)中的傳輸速度會(huì)跟隨超聲波傳輸介質(zhì)的不同特性、傳輸介質(zhì)的溫度等相關(guān)因素的改變而改變[1]。國外關(guān)于超聲波在不同傳輸條件傳輸速度測量的研究現(xiàn)狀如下， M.Khelladi，0.Seddiki，F(xiàn).T.Bendimerad等人在2009年借助實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并研究了超聲波傳輸速度與傳輸介質(zhì)、介質(zhì)溫度以及壓力等相關(guān)影響因素之間的具體變化關(guān)系[1-3]。Y.Kono[4]在2019年以二氧化硅作為超聲波的傳輸介質(zhì)，借助實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并研究了在高壓(>2 MPa)的極限條件下，超聲波在二氧化硅中的傳輸速度和壓力之間的變化關(guān)系[1]。當(dāng)然，國外還有諸多學(xué)者對超聲波傳輸速度的測量進(jìn)行廣泛的理論、實(shí)驗(yàn)或者實(shí)證研究，在此不做一一闡述。國內(nèi)關(guān)于超聲波在不同傳輸條件傳輸速度測量的研究現(xiàn)狀如下，中北大學(xué)的王健設(shè)計(jì)了在高溫環(huán)境下(高達(dá)1 600 ℃)的超聲波傳輸速度測試系統(tǒng)，并探討了溫度與超聲波傳輸速度之間的關(guān)系[1]。中國計(jì)量學(xué)院的楊玉杰，實(shí)驗(yàn)研究了在零壓力與高壓力(1 MPa)環(huán)境下，溫度和超聲波傳輸速度之間的關(guān)系[5]。通過對國內(nèi)相關(guān)超聲波傳輸速度測試文獻(xiàn)的研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)諸多相關(guān)學(xué)者主要超聲波的衰減特性等的相關(guān)研究比較多，而對超聲波傳輸速度的特性研究相對較少[1]。本文設(shè)計(jì)了一款由微控制器(STM32F103ZET6)、測溫系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示系統(tǒng)等部分組成的超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)，為超聲波在距離、液體流量等相關(guān)檢測的應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理

1.1 超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于嵌入式系統(tǒng)STM32的超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由微控制器(STM32F103ZET6)、測溫系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示系統(tǒng)等部分組成。測溫系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)對介質(zhì)溫度的測量；超聲波發(fā)射模塊首先通過STM32F103ZET6產(chǎn)生頻率為40 kHz、占空比為50%的PWM信號，并通過L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片搭建放大電路，實(shí)現(xiàn)信號的放大，并通過超聲波發(fā)射探頭發(fā)射信號。超聲波接收探頭接收到回波信號后，通過放大器放大接收信號，再通過電壓比較器對放大后的回波信號進(jìn)行比較，通過設(shè)置合適的參考點(diǎn)電壓就能計(jì)算出回波信號的時(shí)間，以及傳輸距離。最終通過LCD12864進(jìn)行速度和溫度的顯示。該測試的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)總體框圖

1.2 超聲波介質(zhì)傳輸速度的測試原理

超聲波是指諧振頻率>20 kHz聲波稱的統(tǒng)稱。超聲波傳感器根據(jù)構(gòu)成機(jī)理有機(jī)械式、電氣式2種類型，根據(jù)接、發(fā)信號的不同有超聲波發(fā)射探頭和接收探頭2中。超聲波發(fā)射發(fā)射、接收探頭的作用都是是實(shí)現(xiàn)電能與聲能之間的轉(zhuǎn)換，因此，超聲波傳感器的本質(zhì)是換能器。基于嵌入式系統(tǒng)STM32的超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)壓電式超聲波換能器，當(dāng)超聲波發(fā)射探頭的兩極外加PWM脈沖信號，如果外加PWM脈沖信號頻率與壓電晶片的固有振蕩頻率相等時(shí)，發(fā)生共振進(jìn)而產(chǎn)生超聲波。超聲波接收探頭兩電極間不需要外加電壓，當(dāng)超聲波接收探頭接收到超聲波時(shí)，壓電晶片產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號[1]。

基于嵌入式系統(tǒng)STM32的超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)采用一端發(fā)射另一端接收檢測法測速。現(xiàn)在若已知發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離s(m)，回波到達(dá)時(shí)刻和發(fā)射波時(shí)刻之間時(shí)間差為t(s),就可以算出在介質(zhì)中的傳輸速度c=s/t(m/s)。

2 超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

采用ST公司生產(chǎn)的STM32F103系列芯片[6]。超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)的STM32最小系統(tǒng)電路主要包括晶振電路(其中XTAL1頻率為32.768 kHz，XTAL2頻率為8 MHz)、JTAG下載器電路、按鍵(K1)復(fù)位電路以及I/O口接排線座等4大模塊電路組成。

2.2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

基于嵌入式系統(tǒng)STM32的超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)的超聲波發(fā)射原理如圖2所示，由光電偶合芯片P521、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N、超聲波發(fā)射探頭組成，其中核心器件是電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N。先由微控制器STM32F103給電路提供一定幅度的PWM信號，該P(yáng)WM信號的頻率為40 kHz、占空比為50%，發(fā)出的PWM信號經(jīng)過光電耦合加到L298N的控制端IN3引腳，IN4引腳接低電平，使能端ENB接高電平。超聲波發(fā)射探頭就會(huì)發(fā)射足夠功率的40 kHz超聲波信號。

圖2 超聲波發(fā)射電路原理圖

2.3 超聲波接收電路設(shè)計(jì)

基于嵌入式系統(tǒng)STM32的超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)的超聲波接收原理如圖3所示，其由集成運(yùn)算放大器(TL-0821)構(gòu)成的同相輸入放大電路和LM393構(gòu)成的單值電壓比較器組成。由于超聲波接收探頭接收到的回波信號很微弱，所以電路由電壓比較器TL-082I構(gòu)成同相比例放大倍數(shù)可調(diào)的放大電路，因?yàn)榛夭ㄐ盘枙?huì)因?yàn)楣艿纻?cè)璧影響會(huì)存在“假的”回波信號，所以再加一級電壓比較器LM393，通過設(shè)置參考電的點(diǎn)位，可以比較得出超聲波回波最高點(diǎn)的信號，這就是接收到的最遠(yuǎn)距離的回波信號。最后送至MCU控制器處理。

超聲波接收探頭(R)接收到超聲波發(fā)射探頭(T)的40 kHz的超聲波信號，經(jīng)電容C3耦合到集成運(yùn)算放大器(TL-0821)的同相輸入端u+(3腳)，進(jìn)行40 kHz的超聲波信號放大處理。該集成運(yùn)算放大器(TL-0821)構(gòu)成同相輸入放大電路，其放大倍數(shù)為1+RW4/R17，變化范圍為[1，101]。而電路中R15(10 K)，R16(10 K)的作用是將電源電壓分壓，其作用是使得電路在靜態(tài)時(shí)集成運(yùn)算放大器(TL-0821)的同相輸入端u+(3腳)、反相輸入端u-(2腳)和輸出端uo(1腳)均為電源電壓(+5 V)的一半，最終實(shí)現(xiàn)將雙電源供電轉(zhuǎn)換為單電源供電。集成電壓比較器LM393的主要作用是將TL-0821放大后的40 kHz的超聲波信號與參考電壓值進(jìn)行比較。TL-0821將放大后的40 kHz的超聲波信號輸入到LM393的同相輸入端(3腳)，同相輸入端的電壓與反相輸入端的參考電壓(2腳)進(jìn)行比較，決定LM393的輸出電壓。其中，LM393反相輸入端(2腳)的參考電壓由電源電壓(+5 V)、電阻R18(20 K)和電位器RW1(20 K)組成，調(diào)節(jié)電位器RW1即可改變電壓比較器參考電壓的大小，其變化范圍是[0 V，2.5 V]。

圖3 超聲波接收電路原理圖

2.4 溫度檢測電路設(shè)計(jì)

基于嵌入式系統(tǒng)STM32的超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)的溫度檢測模塊電路的主要作用是實(shí)現(xiàn)傳輸介質(zhì)(空氣、水等)的溫度的測量，其核心器件是DS18B20，DS18B20作為數(shù)字式溫度傳感器，其測量范圍為-55～125 ℃，內(nèi)部有非易失的可擦除EE-ROM，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)斷電后也不會(huì)丟失。在9位分辨率時(shí)最多在93.75 ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，12位分辨率時(shí)最多在750 ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU[7]。溫度檢測電路連接如圖4所示，其中DS18B20的1腳接地，3腳接電源(VCC)，2腳輸出接嵌入式系統(tǒng)STM32F103的I/O端口(PG12)。

圖4 18B20溫度檢測電路

2.5 顯示模塊電路設(shè)計(jì)

基于嵌入式系統(tǒng)STM32的超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)的顯示模塊電路的主要作用是顯示超聲波傳輸速度和超聲波傳輸介質(zhì)的溫度，其核心器件是LCD12864，LCD12864顯示模塊顯示數(shù)據(jù)時(shí)，具有清晰度高和功耗小的特點(diǎn)，且每次最少可以顯四位測量數(shù)據(jù)。因此選用LCD12864進(jìn)行傳輸介質(zhì)溫度和傳輸速度的顯示。基于嵌入式系統(tǒng)STM32的超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)的顯示模塊電路的電路連接圖如圖5所示，其中，LCD12864的1腳、20腳接地(GND)，2腳、3腳、15腳和19腳接電源VCC(+5 V)，4腳到14腳分別接嵌入式系統(tǒng)STM32F103 I/O端口的JF0-RS、JF1-R/W、JF2-E、JE0-D0、JE1-D1、JE2-D2、JE3-D3、JE4-D4、JE5-D5、JE6-D6、JE7-D7和LCD-PSB(說明：JF0-RS為JE0-D0到JE7-D7的數(shù)據(jù)顯示和指令數(shù)據(jù)顯示的控制端，LCD-PSB為串/并口方式的選擇端)。17腳接嵌入式系統(tǒng)STM32F103 I/O端口的JF3/RST，其主要作用是實(shí)現(xiàn)液晶顯示模塊LCD12864的復(fù)位功能。

圖5 LCD12864顯示模塊電路

3 超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于嵌入式系統(tǒng)STM32的超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)的硬件電路使用嵌入式控制芯片STM32F103，在完成嵌入式系統(tǒng)STM32的超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與連接后，使用美國Keil Software公司出品的Keil5編寫系統(tǒng)程序。該軟件是常見的C語言編程軟件，頁面設(shè)計(jì)簡單明了，軟件功能強(qiáng)大，在使用時(shí)有較大的便利性。對于該控制系統(tǒng)，程序量較大，梳理結(jié)構(gòu)，程序模塊化設(shè)計(jì)，是利于程序?qū)崿F(xiàn)和調(diào)試的重要因素。圖6是系統(tǒng)總程序流程圖，圖7是溫度檢測子流程圖。

圖6 總程序流程圖 圖7 溫度檢測流程圖

主程序執(zhí)行流程如下，首先對微控制器STM32F103、液晶顯示系統(tǒng)電路等相關(guān)的硬件電路進(jìn)行初始化處理，微控制器STM32F103發(fā)射40 kHz的超聲波，超聲波發(fā)射電路對微控制器STM32F103輸出的40 kHz超聲波信號進(jìn)行放大、比較等處理信號處理完成后經(jīng)超聲波發(fā)射探頭輸出，而后判斷超聲波接收探頭是否接收到超聲波接收電路處理后的回波信號，如接收到回波信號，則進(jìn)行信號處理，并計(jì)算出傳輸速度及速度顯示功能。如果沒有接收到超聲波接收電路處理后的回波信號則延時(shí)等待，延時(shí)等待后接收到超聲波接收電路處理后的回波信號，進(jìn)行后續(xù)處理。如果延時(shí)等待后還沒有接收到超聲波接收電路處理后的回波信號，則，微控制器STM32F103重新發(fā)射40 kHz的超聲波，進(jìn)而重復(fù)上述過程。

4 超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用該系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)的測試，選擇典型頻率40 kHz的超聲波作為測試對象，測試超聲波在不同溫度、不同介質(zhì)(主要進(jìn)行了空氣和水2種介質(zhì)的測量)情況下超聲波的傳輸速度，測試結(jié)果如表1所示。并將測試結(jié)果與超聲波在空氣和水2種不同的傳輸介質(zhì)在不同溫度下的傳輸速度的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行了比對，比對發(fā)現(xiàn)基于嵌入式系統(tǒng)STM32的超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)的測試值與標(biāo)準(zhǔn)的相對誤差小于1.25%，因此基于嵌入式系統(tǒng)STM32的超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)超聲波在不同溫度、不同介質(zhì)情況下的傳輸速度的測量。

測試結(jié)果表明：在40 Hz超聲波的條件下，測量了在空氣和水2種介質(zhì)溫度在10 ℃，60 ℃內(nèi)的傳播速度，測量精度準(zhǔn)確，達(dá)到了超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的。

表1 測試結(jié)果

5 結(jié)束語

基于嵌入式系統(tǒng)STM32的超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)由微控制器(STM32F103ZET6)、測溫系統(tǒng)(數(shù)字式溫度傳感器DS18B20)模塊電路、超聲波發(fā)射電路(光電偶合芯片P521、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N、超聲波發(fā)射探頭)、超聲波接收電路(集成運(yùn)算放大器TL-0821、電壓比較器LM393)、顯示系統(tǒng)(液晶LCD12864)電路等部分組成。首先微控制器STM32F103ZET6輸出40 kHz的方波信號，再通過信號調(diào)整(增大輸出功率)電路送到超聲波發(fā)射探頭(T)，超聲波接收探頭(R)采集到超聲波發(fā)射探頭(T)的回波信號，并通過集成運(yùn)算放大器TL-0821、電壓比較器LM393構(gòu)成的信號處理電路進(jìn)行整形，然后送入MCU控制器進(jìn)行處理得到超聲波在傳輸介質(zhì)中的傳輸速度和傳輸介質(zhì)的溫度，并通過LCD12864構(gòu)成的顯示模塊進(jìn)行超聲波的傳輸速度。通過數(shù)字式溫度傳感器(18B20)采集環(huán)境(傳輸介質(zhì))的溫度，并通過STM32F103ZET6控制器對采集溫度傳感器的信號進(jìn)行處理分析，得到環(huán)境溫度(傳輸介質(zhì))，并通過顯示模塊顯示傳輸介質(zhì)溫度。測試結(jié)果表明達(dá)到了超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的。同時(shí)，該基于嵌入式系統(tǒng)STM32的超聲波介質(zhì)傳輸速度測試系統(tǒng)具有測量精度準(zhǔn)確、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，為超聲波測距儀、流量計(jì)等相關(guān)超聲波應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)和測試提供借鑒和參考。